自制指南针（下）

神秘的地磁场

地球周围也存在磁场，外部的磁场分布与条形磁体非常类似（图1）。

地磁的北极在地理南极附近，地磁的南极在地理北极附近。如前所述，地磁的南、北方向与地理的南、北方向并不重合。在地球外部，假想的磁感线从地磁北极出发，回到地磁南极，包裹住地球。如果我们在地球上不同地点放置小磁针，这些小磁针的北极将指向该点的磁感线的切线方向，这时小磁针的南极所指的方向正是地理南方附近，这就是指南针之所以指南的原因。

然而，这并不意味着地球内部有一个真正的条形永磁体。地球的磁场其实是电流产生的，也就是说，地球是“电磁体”。

初中学到了“电流的磁场”相关知识。丹麦物理学家奥斯特的实验告诉我们，电流（或通电导体）周围存在磁场，磁场的方向与电流方向有关，而磁场的强弱与电流大小、到电流的距离都有关系。电流的磁场方向可用安培定则来判断。如果是直线电流（或通电直导线），则让右手的大拇指竖起，与四指垂直；大拇指指向电流方向，四指环绕的方向就是直线电流周围的磁场方向。据此，我们可用KT 板、木棒做个直线电流周围磁感线的模型（图2）。这是一个环形磁场，没有磁极。磁感线是一圈圈的同心圆，越到外围，间距越大，表示磁场就越弱。

通电螺线管的磁场与条形磁体相似（图3）。用右手握住螺线管，使四指指向环绕电流的方向，那么大拇指所指的那一端就是通电螺线管的N极。如果在通电螺线管中插入铁芯，铁芯将被磁化，而且磁场方向与螺线管的磁场方向相同，原有的磁场将得到强化。插入铁芯的通电螺线管，其实就是电磁铁。

铁磁性的材料放到磁场中后，会表现出磁性，这个过程叫作“磁化”。当磁体被拿走后，铁磁性材料仍有磁性保留，这叫“剩磁”。铁一类的材料，剩磁微弱，被称为“软磁性材料”，它们既容易被磁化，也容易消磁。钢一类的材料，剩磁比较强，被称为“硬磁性材料”，它们可以被制成永磁体。有一些稀土永磁材料，剩磁超强，可以被制成超强磁体，比如市面上常见的钕铁硼磁体。磁化的方法比较简单，比如想将一根铁钉磁化，只要拿着钕铁硼磁体沿一个固定方向摩擦几次铁钉即可。当然，也不一定非要接触到铁钉，靠近铁钉，沿固定方向移动也可以。如果钕铁硼磁体是一粒一粒的，可以将它们吸在一起，当成一个大一点的磁体使用（图4）。

地磁产生的机制被称为“发电机理论”。从地表到地心，地球的结构大致分为地壳、地幔、地核，其中地核又分为内核和外核。内核的温度很高，但是由于受到的压强很大，所以并没有熔化，而是呈固态，主要是固态铁。外核则主要是液态铁，在热对流、热化学对流、地球自转等影响下，不停地流动，就像是金属导线组成的线圈在不停旋转，如果位于变化的磁场中，就会产生电流，这就是电磁感应现象。最初启动电磁感应的那个磁场可能来自太阳，这已经是三四十亿年前的事了。在变化的电流周围，又会产生磁场，会再次引发电磁感应产生电流。流动的液态铁与磁场之间不断发生相互作用，在这样的循环机制下，最终形成了和条形磁体相似的地磁场。但是，由于外核液态铁流动、能量转换的复杂性，地磁场的N 极、S 极常会发生漂移甚至倒转。研究认为，过去的360 万年间发生过11 次地磁倒转，最近一次发生在约77 万年前。但是，地磁倒转没有固定周期，在恐龙生存的白垩纪，大约4 000 万年间都没有发生过地磁倒转。目前，人类尚无能力预测地磁倒转。

自制指南针

理论上，如果有磁石，我们也可以磨制一个司南，但是工序太烦琐了。

北宋的军事著作《武经总要》记载了指南鱼的制作和使用方法，“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，侯通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时，置水碗于无风处平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也”。今天看来，这就是一个制造人造磁体的过程。通过加热使薄铁片的温度升高，让原有的磁性基本消失。淬火过程中，铁片受到地磁场影响，在特定方向重新表现出磁性，就可以指向南、北方向了。科学原理没有问题，缺点是地磁场相对较弱， 被磁化的指南鱼的磁性较弱。

我们可以用钕铁硼磁铁来实施磁化。用记号笔在铁片上画一个鱼的形状，用剪刀将其剪下，用图4 的方法将铁片鱼磁化。找个容器，盛上水，等水面平静后，让铁片鱼漂浮在水面上，你就会发现，它总是指向南、北方向了。如果鱼头指向北方，只需要调换强磁体的磁极或者摩擦方向或者鱼头鱼尾方向，将指南鱼重新磁化一下，就可让铁片鱼的头指向南方了（图5）。指南鱼能浮在水面上，是因为水的表面张力。指南鱼的表面如果用铁钉压出一些凹点，更容易漂浮。

其实，指南鱼在西晋时代就出现了，优点是比司南转动灵活，弱点就是磁性弱。我们用强磁体使指南鱼磁化，磁性就强多了。当然，也可以改变铁片的形状，做成指南龟、指南鸭什么的。后世也有用木头刻成鱼、龟等形状的，在木头内部放入磁体后用蜡封好，再将针从木头两端插入，接触到磁体，就做成了指南鱼、指南龟。如果不放在水上，也可以用针状物将其支撑起来，让其自由转动，类似实验室的小磁针。

我们还可以做几种水浮指南针。

在细铁棒的两端各吸一个小的强磁体，将饮料瓶盖倒置，使其浮于水面，然后将细铁棒平稳地放在瓶盖上，一个水浮指南针就做好了。将磁化后的缝衣针或回形针（彩色的回形针更增强观感）穿过泡沫球，然后将其浮在水面上，也能做一个水浮指南针（图6）。

怎么样，这下你可以想到更多的制作方法了吧？

（责任编辑：白玉磊）